電機(jī)與拖動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握三相異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)、星三角（Y-Δ）起動(dòng)、自耦變壓器起動(dòng)的接線方法與操作流程，理解不同起動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合；2.驗(yàn)證三相異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速、變頻調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的原理，掌握調(diào)速參數(shù)（頻率、極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)子電阻）對(duì)電機(jī)性能（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流）的影響規(guī)律；3.學(xué)會(huì)使用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x、變頻調(diào)速器、交流電流表/電壓表等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，正確測(cè)量電機(jī)運(yùn)行中的關(guān)鍵參數(shù)（起動(dòng)電流、額定電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩）；4.培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析能力，通過理論值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，分析誤差來源及改進(jìn)方向。二、實(shí)驗(yàn)原理1.三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)原理三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程是指電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的過渡階段。起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速\(n=0\)，轉(zhuǎn)差率\(s=1\)，轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場(chǎng)的速度最大，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和電流遠(yuǎn)大于額定值（約為額定電流的5-7倍），會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。因此，需根據(jù)電機(jī)容量與負(fù)載特性選擇合適的起動(dòng)方式：直接起動(dòng)：將電機(jī)定子繞組直接接入電網(wǎng)，起動(dòng)電流大（\(I_{st}=(5-7)I_N\)），但接線簡(jiǎn)單、成本低，適用于小容量電機(jī)（≤10kW）或電網(wǎng)容量足夠大的場(chǎng)合；星三角（Y-Δ）起動(dòng)：起動(dòng)時(shí)將定子繞組接成星形（Y），降低起動(dòng)電壓至額定電壓的\(1/\sqrt{3}\)，起動(dòng)電流降至直接起動(dòng)的\(1/3\)；運(yùn)行時(shí)切換為三角形（Δ），保持額定電壓。適用于額定電壓為380V、三角形連接的電機(jī)，且負(fù)載為輕載或空載；自耦變壓器起動(dòng)：通過自耦變壓器的抽頭（如65%、80%額定電壓）降低起動(dòng)電壓，起動(dòng)電流降至直接起動(dòng)的\((k)^2\)（\(k\)為電壓比）。適用于容量較大（10-50kW）、要求起動(dòng)電流較小的電機(jī)，可通過抽頭調(diào)節(jié)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。2.三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：\[n=n_1(1-s)=\frac{60f_1}{p}(1-s)\]其中，\(n_1\)為同步轉(zhuǎn)速，\(f_1\)為定子電源頻率，\(p\)為定子繞組極對(duì)數(shù)，\(s\)為轉(zhuǎn)差率。調(diào)速方式可分為三類：變極調(diào)速：通過改變定子繞組的連接方式（如Δ-YY）改變極對(duì)數(shù)\(p\)，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速（如2極→4極，轉(zhuǎn)速從3000rpm降至1500rpm）。適用于需要固定轉(zhuǎn)速切換的場(chǎng)合（如風(fēng)機(jī)、水泵）；變頻調(diào)速：通過變頻調(diào)速器改變定子電源頻率\(f_1\)，保持\(V_1/f_1\)恒定（避免定子磁通飽和），實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速（如5Hz→50Hz，轉(zhuǎn)速從300rpm升至3000rpm）。具有調(diào)速范圍廣、效率高、轉(zhuǎn)矩特性好等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代調(diào)速的主流方式；變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：通過改變轉(zhuǎn)子電阻（繞線式電機(jī)）或定子電壓（籠型電機(jī)）調(diào)整轉(zhuǎn)差率\(s\)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)子電阻增大而降低，但效率低（轉(zhuǎn)差功率消耗在電阻上），適用于短期調(diào)速場(chǎng)合（如起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)）。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)備名稱型號(hào)/規(guī)格數(shù)量三相異步電動(dòng)機(jī)Y系列（籠型/繞線式）1臺(tái)交流接觸器CJ20系列（主觸頭容量≥10A）3個(gè)熱繼電器JR36系列（整定電流=1.1I_N）1個(gè)自耦變壓器QJ3系列（抽頭65%/80%）1臺(tái)變頻調(diào)速器三菱FR-D700系列（容量≥1.5kW）1臺(tái)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)xZJ型（精度±0.5%）1臺(tái)交流電流表指針式/數(shù)字式（量程0-10A）1塊交流電壓表指針式/數(shù)字式（量程0-500V）1塊萬用表數(shù)字式（帶電阻/電壓檔）1塊電源開關(guān)三相空氣開關(guān)（容量≥16A）1個(gè)連接導(dǎo)線銅芯線（截面≥1.5mm2）若干四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.直接起動(dòng)實(shí)驗(yàn)（籠型電機(jī)）接線說明：主電路將電機(jī)定子繞組直接接入電網(wǎng)（Δ連接）；控制電路采用“起動(dòng)-停止”按鈕控制，串聯(lián)熱繼電器常閉觸頭（過載保護(hù)）。步驟：（1）斷開所有電源，按電路圖連接主電路與控制電路；（2）用萬用表測(cè)量控制電路電阻（確保無短路），主電路斷開時(shí)測(cè)量定子繞組電阻（三相平衡）；（3）合上電源開關(guān)，按下起動(dòng)按鈕（SB1），觀察電機(jī)起動(dòng)情況（轉(zhuǎn)速上升、無異常聲音）；（4）用電流表測(cè)量起動(dòng)電流（瞬間最大值）和額定電流（穩(wěn)定運(yùn)行后的值），記錄數(shù)據(jù)；（5）按下停止按鈕（SB2），斷開電源，拆除線路。2.星三角（Y-Δ）起動(dòng)實(shí)驗(yàn)（籠型電機(jī)）接線說明：主電路通過3個(gè)交流接觸器實(shí)現(xiàn)Y-Δ轉(zhuǎn)換（KM1為主觸頭，KM2為Y型觸頭，KM3為Δ型觸頭）；控制電路需保證“先Y后Δ”（KM2閉合后KM3斷開，避免短路）。步驟：（1）按Y-Δ起動(dòng)電路圖連接線路，確認(rèn)KM2與KM3的互鎖關(guān)系（常閉觸頭串聯(lián)）；（2）檢查線路無誤后，合上電源開關(guān)，按下起動(dòng)按鈕（SB1），KM1與KM2閉合（Y型起動(dòng)），測(cè)量起動(dòng)電流；（3）待電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后（約3-5秒），KM2斷開、KM3閉合（Δ型運(yùn)行），測(cè)量額定電流；（4）記錄Y型起動(dòng)電流與Δ型運(yùn)行電流，計(jì)算比值（理論值≈1/3）；（5）停止電機(jī)，斷開電源。3.變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)（籠型電機(jī)）接線說明：主電路將變頻調(diào)速器輸出端接電機(jī)定子繞組，輸入端接電網(wǎng)；控制電路通過變頻調(diào)速器的“RUN/STOP”按鈕或外部端子控制電機(jī)起停。步驟：（1）按變頻調(diào)速器說明書連接主電路（R/L1、S/L2、T/L3接電網(wǎng)，U、V、W接電機(jī)）；（2）設(shè)置變頻調(diào)速器基本參數(shù)：基本頻率（Pr.1）=50Hz（電網(wǎng)頻率）；額定電壓（Pr.2）=380V（電機(jī)額定電壓）；起動(dòng)頻率（Pr.13）=5Hz（避免低頻轉(zhuǎn)矩不足）；加速時(shí)間（Pr.7）=5s（防止電流沖擊）；（3）按下“RUN”按鈕，逐步增加頻率（從5Hz到50Hz，每5Hz記錄一次），用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x測(cè)量轉(zhuǎn)速（\(n\)）、轉(zhuǎn)矩（\(T\)），用電流表測(cè)量定子電流（\(I_1\)）；（4）繪制轉(zhuǎn)速-頻率曲線（\(n-f_1\)）、轉(zhuǎn)矩-頻率曲線（\(T-f_1\)），分析曲線線性度；（5）按下“STOP”按鈕，斷開電源，恢復(fù)變頻調(diào)速器默認(rèn)參數(shù)。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1.直接起動(dòng)數(shù)據(jù)電機(jī)狀態(tài)定子電壓（V）起動(dòng)電流（A）額定電流（A）直接起動(dòng)380\(I_{st1}\)\(I_{N1}\)2.星三角起動(dòng)數(shù)據(jù)電機(jī)狀態(tài)定子電壓（V）起動(dòng)電流（Y型）運(yùn)行電流（Δ型）電流比值（Y/Δ）星三角起動(dòng)380\(I_{st2}\)\(I_{N2}\)\(I_{st2}/I_{N2}\)3.變頻調(diào)速數(shù)據(jù)電源頻率（Hz）定子電壓（V）轉(zhuǎn)速（rpm）轉(zhuǎn)矩（N·m）定子電流（A）538\(n_1\)\(T_1\)\(I_{1-1}\)1076\(n_2\)\(T_2\)\(I_{1-2}\)...............50380\(n_{10}\)\(T_{10}\)\(I_{1-10}\)數(shù)據(jù)處理要求：計(jì)算直接起動(dòng)電流倍數(shù)：\(k_1=I_{st1}/I_{N1}\)（理論值5-7）；計(jì)算星三角起動(dòng)電流比值：\(k_2=I_{st2}/I_{N2}\)（理論值≈1/3）；繪制變頻調(diào)速的\(n-f_1\)曲線，計(jì)算斜率（理論值≈60/p，如p=2時(shí)斜率≈30）；繪制變頻調(diào)速的\(T-f_1\)曲線，分析低頻（≤10Hz）轉(zhuǎn)矩下降原因（定子電阻壓降影響）。六、結(jié)果分析與討論1.起動(dòng)方式對(duì)比直接起動(dòng)：起動(dòng)電流大（\(k_1≈5-7\)），但操作簡(jiǎn)單，適用于小容量電機(jī)；星三角起動(dòng)：起動(dòng)電流降至直接起動(dòng)的1/3左右（\(k_2≈0.3-0.4\)），但需電機(jī)為Δ連接，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降至直接起動(dòng)的1/3（\(T_{st}∝U^2\)），適用于輕載起動(dòng)；自耦變壓器起動(dòng)（可選實(shí)驗(yàn)）：通過抽頭調(diào)節(jié)起動(dòng)電流（如65%抽頭時(shí)，\(I_{st}≈0.65^2×I_{st1}≈0.42I_{st1}\)），起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降至0.42倍，適用于中容量電機(jī)。2.調(diào)速性能分析變極調(diào)速（可選實(shí)驗(yàn)）：極對(duì)數(shù)增加1倍，同步轉(zhuǎn)速降低1倍（如2極→4極，\(n_1\)從3000rpm降至1500rpm），但轉(zhuǎn)速跳躍大，適用于固定轉(zhuǎn)速需求；變頻調(diào)速：\(n-f_1\)曲線接近線性（\(n≈60f_1/p\)），調(diào)速范圍廣（5-50Hz對(duì)應(yīng)____rpm）；\(T-f_1\)曲線在低頻時(shí)略有下降（因定子電阻壓降\(I_1R_1\)增大，導(dǎo)致有效電壓\(U_1'=U_1-I_1R_1\)降低，轉(zhuǎn)矩\(T∝U_1'^2\)），可通過“低頻轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”參數(shù)（如Pr.14）改善；變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（繞線式電機(jī)）：轉(zhuǎn)子串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低（\(n∝1/(R_2+sX_2)\)），但效率低（轉(zhuǎn)差功率\(P_s=sP_{em}\)消耗在電阻上），適用于短期重載調(diào)速。3.誤差分析測(cè)量誤差：電流表/電壓表的精度（±0.5%）、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x的安裝誤差（如聯(lián)軸器松動(dòng)）；線路誤差：導(dǎo)線電阻、接觸電阻導(dǎo)致電壓降（\(ΔU=IR\)），使實(shí)際電壓低于額定值；電機(jī)參數(shù)誤差：電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻、漏抗的分散性（如同一型號(hào)電機(jī)的\(R_1\)、\(X_1\)存在差異）。七、注意事項(xiàng)1.安全操作：實(shí)驗(yàn)前斷開所有電源，接線時(shí)避免火線與零線短路；電機(jī)運(yùn)行時(shí)，禁止觸摸旋轉(zhuǎn)部分（如軸伸、風(fēng)扇），防止機(jī)械傷害；測(cè)量電流時(shí)，電流表需串聯(lián)在電路中，量程選擇大于起動(dòng)電流（如10A）；變頻調(diào)速器通電后，禁止斷開輸出端（U/V/W），防止過電壓損壞模塊。2.設(shè)備保護(hù)：熱繼電器整定電流設(shè)置為電機(jī)額定電流的1.1倍（\(I_{set}=1.1I_N\)），防止過載燒毀電機(jī)；交流接觸器主觸頭容量需大于電機(jī)額定電流（如電機(jī)\(I_N=3A\)，觸頭容量≥10A）；自耦變壓器起動(dòng)時(shí)，抽頭選擇需匹配電機(jī)容量（如1.5kW電機(jī)選65%抽頭），避免起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足。3.數(shù)據(jù)記錄：起動(dòng)電流為瞬間最大值（指針式電流表的峰值），需快速讀取；變頻調(diào)速時(shí)，每調(diào)整一次頻率，需待電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行（轉(zhuǎn)速、電流不變）后再記錄數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，斷開所有電源，拆除導(dǎo)線并整理設(shè)備。八、思考題1.星三角起動(dòng)為什么要求電機(jī)在起動(dòng)時(shí)接成Y型，運(yùn)行時(shí)接成Δ型？若接反會(huì)有什么后果？2.變頻調(diào)速時(shí)，為什么要保持\(V_1/f_1\)恒定？若\(f_1\)降低而\(V_1\)不變，會(huì)導(dǎo)致什么問題？3.繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與變頻調(diào)速相比，有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？4.某工廠有一臺(tái)10kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，電網(wǎng)容量為100kVA，是否可以采用直接起動(dòng)？為什么？（提示：電網(wǎng)允許的起動(dòng)電流倍數(shù)為\(I_{st}/I_N≤電網(wǎng)容量/電機(jī)容量\)）實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需真實(shí)有效，不得偽造；2.結(jié)果分析需結(jié)合理論知識(shí)，避免泛泛而談；3.思考題需獨(dú)立完成，體現(xiàn)個(gè)人思考；4.報(bào)告格式規(guī)范，字跡清晰（或電子文檔排版整齊）。實(shí)驗(yàn)總結(jié)：本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)與調(diào)速的操作，驗(yàn)證了不同起動(dòng)方式的電流特性與調(diào)速方式的性能規(guī)律。直接起動(dòng)適